寒旱環(huán)境黃土區(qū)植物護(hù)坡原位模擬降雨試驗(yàn)研究

李華坦, 趙玉嬌, 李國(guó)榮, 胡夏嵩,2, 盧海靜, 朱海麗

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008)

寒旱環(huán)境黃土區(qū)植物護(hù)坡原位模擬降雨試驗(yàn)研究

李華坦1, 趙玉嬌1, 李國(guó)榮1, 胡夏嵩1,2, 盧海靜1, 朱海麗1

(1.青海大學(xué) 地質(zhì)工程系, 西寧 810016; 2.中國(guó)科學(xué)院 青海鹽湖研究所, 西寧 810008)

在自建試驗(yàn)區(qū)內(nèi)為研究植物護(hù)坡水文效應(yīng)，本項(xiàng)研究采用野外模擬降雨試驗(yàn)的方法，分別對(duì)種植檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)、霸王(ZygophyllumxanthoxylonBunge Maxim.)2種灌木植物邊坡和種植垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)、細(xì)莖冰草(AgropyrontrachycaulumLinn. Gaertn.)2種草本植物邊坡，以及作為對(duì)照組未種植植物的裸坡開(kāi)展相同試驗(yàn)條件的模擬降雨試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同試驗(yàn)條件下裸坡的穩(wěn)定徑流量和泥沙量均相對(duì)較大其值為450.0～475.0 ml/min，8.28～8.36 g/min；種植霸王、檸條錦雞兒邊坡穩(wěn)定徑流量和泥沙量為307.0～355.5 ml/min，3.12～4.07 g/min；種植細(xì)莖冰草邊坡、垂穗披堿草邊坡穩(wěn)定徑流量和泥沙量為24.0～41.3 ml/min，1.52～2.40 g/min，該試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明了坡面產(chǎn)生的穩(wěn)定徑流量和穩(wěn)定泥沙量與邊坡的覆蓋度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系以外，還進(jìn)一步反映出種植草本植物的邊坡其坡面產(chǎn)生的穩(wěn)定徑流量、泥沙量則顯著小于種植灌木植物邊坡，即種植灌木邊坡其坡面產(chǎn)生穩(wěn)定徑流量、泥沙量分別是種植草本邊坡的1.338～1.466倍、2.054～2.654倍；裸坡坡面以下0—20 cm處及坡面以下20—40 cm處含水率增幅分別為38.94%，11.08%；種植檸條錦雞兒、霸王邊坡坡面以下相同深度處的a層、b層含水率增幅為42.24%～44.19%，10.63%～11.76%，種植垂穗披堿草、細(xì)莖冰草邊坡坡面以下相同深度處的a層、b層含水率增幅為47.27%～48.11%，13.98%～14.74%，坡面以下40—60 cm處的(c層)含水率變化相對(duì)不顯著，表明在邊坡種植的草本和灌木植物，在降雨坡面雨水入滲的過(guò)程中，阻止和減少了坡面徑流的形成，同時(shí)亦反映出生長(zhǎng)草本植物的邊坡其阻止和減少坡面徑流形成的作用相對(duì)顯著于灌木植物；裸坡的徑流系數(shù)為63.40%，種植檸條錦雞兒和霸王邊坡徑流系數(shù)則分別為18.00%和20.33%，細(xì)莖冰草和垂穗披堿草徑流系數(shù)分別為6.57%和1.71%，草本植物邊坡徑流系數(shù)相對(duì)最小，反映出草本植物其抵擋坡面雨水沖刷和侵蝕以及抑制地表徑流作用等方面較灌木植物顯著。

黃土區(qū); 植物邊坡; 模擬降雨; 徑流; 土壤侵蝕

植物生長(zhǎng)的黃土邊坡徑流、產(chǎn)沙、入滲等規(guī)律的研究涉及到邊坡穩(wěn)定、生態(tài)環(huán)境建設(shè)和水土保持等多方面研究?jī)?nèi)容，植物有效攔蓄邊坡徑流、促進(jìn)降雨入滲是生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵[1-4]。我國(guó)黃土高原地處內(nèi)陸腹地是世界上最大的黃土沉積區(qū)[5]，但由于該區(qū)植物稀疏夏季降雨集中且雨量大，雨水沖蝕作用相對(duì)較強(qiáng)，造成大量的水土流失現(xiàn)象[6-7]。由黃土高原土壤侵蝕的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，黃土高原多年平均輸入黃河泥沙量多達(dá)16億t，成為黃河泥沙的主要來(lái)源[8]，故開(kāi)展黃土區(qū)植物邊坡降雨產(chǎn)流、產(chǎn)沙和莖葉降雨截流水文效應(yīng)研究，對(duì)促進(jìn)該區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展有著重要的意義。近年來(lái)關(guān)于黃土區(qū)植物邊坡水文效應(yīng)研究取得了大量成果，諸多學(xué)者研究認(rèn)為植物因子是影響土質(zhì)邊坡的關(guān)鍵因素，且植物具有從根本上治理水土流失的能力[9-10]。這種作用主要是通過(guò)植物莖葉冠層、地表枯落物層等來(lái)實(shí)現(xiàn)水土保持、涵養(yǎng)水源等水文功能，具體表現(xiàn)在降雨截留、削減濺蝕、控制地表徑流等方面[11-12]。植物莖葉的降雨截留作用能降低到達(dá)坡面的有效雨量，減少雨水對(duì)坡面土體侵蝕作用；削減濺蝕作用主要是通過(guò)地上莖葉的緩沖作用，消耗掉雨滴大量的動(dòng)能，且能使大雨滴分散為小雨滴，從而實(shí)現(xiàn)將雨滴的動(dòng)能大大降低；抑制地表徑流作用主要表現(xiàn)在降低地表徑流的沖涮，從而削弱雨水對(duì)邊坡表層土體的沖蝕作用[13-15]。

本項(xiàng)研究以位于青藏高原與黃土高原交接地帶的西寧盆地及其周邊地區(qū)作為試驗(yàn)區(qū)，區(qū)內(nèi)黃土較為發(fā)育即呈厚層狀的黃土層位于其下伏的第三系紅色泥巖層之上，黃土層的厚度為50～100 m[16]。本項(xiàng)研究篩選出適應(yīng)于當(dāng)?shù)貧夂驐l件下生長(zhǎng)的2種草本植物和2種灌木植物作為研究對(duì)象，以未種植植物的裸坡作為對(duì)照試驗(yàn)，利用人工模擬降雨試驗(yàn)研究2種草本和2種灌木植物邊坡的產(chǎn)流、產(chǎn)沙和莖葉降雨截流過(guò)程，分析種植霸王、檸條錦雞兒等2種灌木和細(xì)莖冰草、垂穗披堿草等2種草本等不同植物類(lèi)型邊坡植物的莖葉水文效應(yīng)及其有效防治坡面土壤侵蝕現(xiàn)象。

1 研究方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

本項(xiàng)研究的試驗(yàn)區(qū)位于西寧城北青海大學(xué)，地理坐標(biāo)為東經(jīng)101°44′、北緯36°43′，平均海拔為2 261 m，年平均降水量為380 mm，蒸發(fā)量為1 363.6 mm，年平均日照為1 939.7 h，區(qū)內(nèi)年平均氣溫為7.6℃，其中年平均最高氣溫為34.6℃，最低氣溫為-18.9℃，屬高原高山寒溫性氣候[17]。區(qū)內(nèi)發(fā)育有厚層狀的黃土覆蓋層，黃土自然邊坡坡度較陡，坡面植物覆蓋相對(duì)較差，研究區(qū)周邊居民活動(dòng)集中，區(qū)內(nèi)每逢夏季暴雨頻繁，水土流失、泥石流、滑坡等災(zāi)害相對(duì)發(fā)育。

該試驗(yàn)區(qū)邊坡坡向?yàn)榘腙幇腙?yáng)，坡度為30°，屬于人工堆積土質(zhì)邊坡，土體類(lèi)型以粉土為主。根據(jù)研究區(qū)氣候條件和生長(zhǎng)植物類(lèi)型，本項(xiàng)研究篩選出了2種優(yōu)勢(shì)草本和2種優(yōu)勢(shì)灌木植物，其中草本為細(xì)莖冰草(AgropyrontrachycaulumLinn. Gaertn.)和垂穗披堿草(ElymusnutansGriseb.)，灌木為檸條錦雞兒(CaraganakorshinskiiKom.)和霸王(ZygophyllumxanthoxylonBunge Maxim.)，以未種植植物的裸坡作為對(duì)照組。試驗(yàn)區(qū)劃分為5個(gè)試驗(yàn)小區(qū)，每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的面積為2.0 m×2.5 m。試驗(yàn)小區(qū)草本植物采用條播方式種植，行距為5 cm，灌木植物采用穴播方式種植，株距為5 cm。試驗(yàn)區(qū)種植方案如圖1所示。

圖中：A小區(qū)為種植檸條錦雞兒，B小區(qū)為種植細(xì)莖冰草，C小區(qū)為種植霸王，D小區(qū)為種植垂穗披堿草，E小區(qū)為對(duì)照組即作為未種植植物的裸坡。

圖1試驗(yàn)區(qū)草本和灌木植物種植方案

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究?jī)?nèi)容

本項(xiàng)研究試驗(yàn)采用課題組自行設(shè)計(jì)的野外模擬降雨試驗(yàn)裝置，按照恒壓控制單位時(shí)間降雨量，人工控制模擬降雨過(guò)程中的降雨強(qiáng)度。依據(jù)試驗(yàn)區(qū)氣候特點(diǎn)以及近50 a來(lái)的降雨量變化規(guī)律，故本項(xiàng)模擬降雨試驗(yàn)設(shè)定的降雨強(qiáng)度為35.0 mm/h[18]。模擬降雨試驗(yàn)選取每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)的部分區(qū)域，即面積為長(zhǎng)2.0 m和寬1.0 m的坡面進(jìn)行。為測(cè)定模擬降雨試驗(yàn)前未種植植物的裸坡，種植檸條錦雞兒、霸王、細(xì)莖冰草、垂穗披堿草等4種植物邊坡土體的含水率和天然密度，在模擬降雨試驗(yàn)前開(kāi)挖邊坡，分層取得不同深度位置處的分別用于測(cè)定土體含水率和天然密度的取土盒試樣和環(huán)刀試樣，取樣深度為自邊坡表面往坡體內(nèi)部依次分為a層、b層、c層等3層，即a層為坡面以下0—20 cm，b層為坡面以下20—40 cm，c層為坡面以下40—60 cm；a層、b層、c層等3層土體含水率采用烘干法測(cè)得，a層、b層、c層等3層土體天然密度采用環(huán)刀法測(cè)得?，F(xiàn)場(chǎng)原位模擬降雨試驗(yàn)過(guò)程中，按試驗(yàn)方案觀測(cè)坡面地表徑流過(guò)程、植物莖葉截流過(guò)程和表層土壤受侵蝕過(guò)程，并分別記錄裸坡和種植霸王、檸條錦雞兒、細(xì)莖冰草、垂穗披堿草等4種植物邊坡的產(chǎn)流時(shí)間和單位時(shí)間地表徑流量。對(duì)于降雨試驗(yàn)過(guò)程中地表徑流的收集，本項(xiàng)研究采用在坡底放置長(zhǎng)為100 cm、直徑為50 cm的PVC管集流(將PVC管沿管口斷面從中間截開(kāi)將其中的一半放置坡體下方坡腳位置收集地表徑流)，待產(chǎn)流后每5 min取一次水沙樣，測(cè)定一次徑流量，水樣中的泥沙量測(cè)定采用烘干法。在模擬降雨試驗(yàn)結(jié)束后采用和降雨前相同的方法測(cè)定相應(yīng)土層的含水率和天然密度。最后根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制試驗(yàn)區(qū)坡面地表徑流和泥沙形成的過(guò)程曲線；依據(jù)試驗(yàn)前后相應(yīng)土層含水率變化情況，計(jì)算降雨試驗(yàn)過(guò)程中入滲量、植物莖葉截流量和徑流系數(shù)。

上述的坡面入滲量、植物莖葉截流量、徑流系數(shù)等3個(gè)指標(biāo)，它們各自的計(jì)算方法如下。

(1) 坡面入滲量反映的是不同類(lèi)型邊坡保持水土的能力，其計(jì)算公式為：

L= [ρa(bǔ)das·(wa2-wa1)+ρbdbs·(wb2-wb1)+

ρcdcs·(wc2-wc1)]/(ρs)

(1)

式中：L——總?cè)霛B量(mm)；s——野外模擬降雨試驗(yàn)面積(m2)；ρa(bǔ)，ρb，ρc——a層、b層、c層的干密度(g/cm3)；ρ——水的密度(1.0 g/cm3)；wa1，wa2——a層降雨前后含水率(%)；wb1，wb2——b層降雨前后含水率(%)；wc1，wc2——c層降雨前后含水率(%)；da，db，dc——a層、b層、c層3層的每層入滲深度(cm)。

(2) 莖葉截流量反映植物地表莖葉吸收以及阻截雨水的程度，其公式為[19]：

S=Y-L

(2)

式中：S——植物莖葉截流量(mm)；Y——總降雨量(mm)；L——總?cè)霛B量(mm)。

(3) 徑流系數(shù)A(%)指的是任意時(shí)段內(nèi)的徑流總量X(mm)與同時(shí)段內(nèi)的降雨總量Y(mm)的比值，徑流系數(shù)A綜合反映模擬降雨過(guò)程中雨水轉(zhuǎn)化為地表徑流的百分比，綜合反映流域內(nèi)自然地理要素對(duì)徑流的影響，其計(jì)算公式為[20]：

A=X/Y×100%

(3)

式中：A——徑流系數(shù)(%)；Y——總降雨量(mm)；X——總徑流量(mm)。

(4) 含水率增幅指降雨前后含水率差的絕對(duì)值比降雨前的含水率，其計(jì)算公式為：

B=|w2-w1|/w1

(4)

式中：B——土體含水率增幅(%)；w1——模擬降雨前土體含水率(%)；w2——模擬降雨后土體含水率(%)。

(5) 為探討試驗(yàn)區(qū)不同植物的降雨截流、削弱濺蝕、抑制地表徑流等水文效應(yīng)與邊坡植物覆蓋度之間的關(guān)系，本項(xiàng)研究在模擬降雨試驗(yàn)前分別在檸條錦雞兒、霸王、細(xì)莖冰草、垂穗披堿草等5種植物邊坡坡面上隨機(jī)選定5個(gè)面積為20 cm×20 cm的樣方，分別統(tǒng)計(jì)生長(zhǎng)150 d的2種草本和2種灌木植物每個(gè)樣方內(nèi)植物的株數(shù)、株高、地徑等生長(zhǎng)量指標(biāo)，試驗(yàn)區(qū)4種植物生長(zhǎng)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表1所示。試驗(yàn)區(qū)2種灌木植物其邊坡覆蓋度的計(jì)算方法為[21]：

C=N×S1/S

(5)

式中：C——邊坡覆蓋度(%)；N——樣方內(nèi)平均株數(shù)(個(gè))；S1——單株灌木平均冠幅(cm2)；S——樣方面積400 cm2。

表1 試驗(yàn)區(qū)裸坡以及種植4種植物邊坡植物生長(zhǎng)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果

注：1) 草本和灌木植物生長(zhǎng)期均為150 d；2) 裸坡未種植植物故其覆蓋度為0；3) “—”表示該項(xiàng)指標(biāo)未進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，即草本統(tǒng)計(jì)的生長(zhǎng)量指標(biāo)為株高和分蘗數(shù)，灌木統(tǒng)計(jì)的生長(zhǎng)量指標(biāo)為株高、地徑和冠幅；4) 細(xì)莖冰草和垂穗披堿草等2草本其邊坡覆蓋度采用目測(cè)法確定。

2 結(jié)果與分析

2.1 模擬降雨產(chǎn)流過(guò)程和土壤侵蝕過(guò)程分析

本項(xiàng)研究中分別對(duì)未種植植物的裸坡和種植植物的邊坡，研究模擬降雨坡面產(chǎn)流形成過(guò)程和邊坡土壤侵蝕過(guò)程。其中試驗(yàn)區(qū)裸坡徑流量與降雨歷時(shí)的關(guān)系如圖2所示。由該圖可知，在降雨歷時(shí)為0～10 min內(nèi)坡面地表徑流量由0增大至392.0 ml/min，之后地表徑流量趨于穩(wěn)定狀態(tài)且其值為450.0～475.0 ml/min。在種植檸條錦雞兒和霸王邊坡模擬降雨過(guò)程中隨著降雨歷時(shí)增加，地表徑流量在降雨歷時(shí)為35 min內(nèi)存在有緩慢增大的趨勢(shì)，且種植2種灌木植物邊坡在徑流量的增幅上變化相對(duì)不顯著，最終徑流量分別趨于穩(wěn)定，其中檸條錦雞兒邊坡穩(wěn)定徑流量為307.0～316.5 ml/min、霸王邊坡穩(wěn)定徑流量為350.0～355.5 ml/min，由上述徑流量大小反映了在降雨歷時(shí)持續(xù)35 min后，植物莖葉截流量達(dá)到飽和狀態(tài)并使得邊坡表面土體中的雨水開(kāi)始達(dá)到穩(wěn)定下滲。在種植垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的邊坡上地表徑流產(chǎn)生的時(shí)間在降雨歷時(shí)為25～30 min時(shí)，地表徑流量隨降雨歷時(shí)變化相對(duì)不大，邊坡產(chǎn)生地表徑流后種植垂穗披堿草邊坡的穩(wěn)定徑流量為24.0 ml/min、種植細(xì)莖冰草邊坡的穩(wěn)定徑流量為41.3 ml/min。

形成不同植物類(lèi)型邊坡產(chǎn)流時(shí)間的差異和穩(wěn)定徑流量差異的主要原因，歸因于未種植植物的裸坡和種植植物邊坡的地表覆蓋度大小不同，進(jìn)而產(chǎn)生上述產(chǎn)流時(shí)間和穩(wěn)定徑流量的不同。由表1可知，試驗(yàn)區(qū)生長(zhǎng)期為150 d的檸條錦雞兒和霸王的邊坡覆蓋度分別為47.0%和53.9%，生長(zhǎng)期為150 d的垂穗披堿草和細(xì)莖冰草的邊坡覆蓋度均為100%，且每株草本植物的平均分蘗數(shù)為6個(gè)，莖葉多且草本植物平均株高為34.8～36.7 cm，而灌木植物平均株高為17.5～23.2 cm，相對(duì)草本植物株高較低，且灌木植物冠幅為23 cm2，故草本植物其相對(duì)繁茂的莖葉在坡面形成相對(duì)于灌木密集的截流層。由圖2所示的徑流量與降雨歷時(shí)關(guān)系曲線可知，裸坡開(kāi)始產(chǎn)生徑流時(shí)間為2 min，種植霸王和檸條錦雞兒邊坡產(chǎn)生徑流的時(shí)間為7～8 min，種植垂穗披堿草和細(xì)莖冰草邊坡徑流產(chǎn)生的時(shí)間為25～30 min。由上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，降雨初期草本植物較灌木植物相對(duì)較好地阻止了雨滴直接擊打坡面，從而使坡面地表產(chǎn)流時(shí)間相對(duì)滯后，種植植物邊坡開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間均較裸坡開(kāi)始產(chǎn)流時(shí)間相對(duì)滯后，說(shuō)明植物能較好抑制坡面地表徑流，從而起到削弱雨水對(duì)坡面的沖刷作用。

圖2 試驗(yàn)區(qū)裸坡和4種植物邊坡徑流量與降雨歷時(shí)關(guān)系曲線

本項(xiàng)研究中，試驗(yàn)區(qū)未種植植物的裸坡與種植草本、灌木植物邊坡的坡面土壤侵蝕作用過(guò)程及其結(jié)果如圖3所示。由該圖可知，裸坡的泥沙量明顯較種植4種植物覆蓋的邊坡泥沙量要大，即在相同模擬降雨條件下裸坡受到雨水的沖蝕作用較種植植物邊坡大，其中降雨過(guò)程中裸坡產(chǎn)生的泥沙量在降雨歷時(shí)為15 min時(shí)到達(dá)峰值為11.8 g/min，之后泥沙量趨于平穩(wěn)其值為8.28～8.36 g/min；種植檸條錦雞兒和霸王邊坡泥沙量分別在降雨后25 min和30 min時(shí)到達(dá)最大值，其泥沙量峰值分別為5.2 g/min和5.82 g/min，2種灌木邊坡在降雨歷時(shí)為45 min左右至穩(wěn)定狀態(tài)，霸王邊坡產(chǎn)流量穩(wěn)定值為4.07 g/min，檸條錦雞兒邊坡泥沙量穩(wěn)定值為3.12 g/min，故種植2種灌木植物邊坡的泥沙量之間的差異相對(duì)較小，且種植霸王的邊坡出現(xiàn)泥沙量峰值時(shí)間較種植檸條錦雞兒邊坡的泥沙量峰值稍早，但種植霸王邊坡其最后形成的穩(wěn)定泥沙量相對(duì)較?。欢謩e種植垂穗披堿草和細(xì)莖冰草邊坡泥沙量未出現(xiàn)明顯的峰值，泥沙量均處于平穩(wěn)狀態(tài)，種植細(xì)莖冰草和垂穗披堿草的泥沙量穩(wěn)定值變化為1.5～2.4 g/min，故種植細(xì)莖冰草和垂穗披堿草等2草本植物的邊坡泥沙量變化相對(duì)不顯著，即在任意相同時(shí)間段內(nèi)種植灌木植物邊坡的泥沙量均大于草本植物邊坡的泥沙量，說(shuō)明草本植物防治坡面土壤侵蝕作用相對(duì)顯著于灌木植物。產(chǎn)生上述坡面泥沙量差異的主要原因歸因于邊坡坡面覆蓋度不同，未種植植物的裸坡和覆蓋度相對(duì)較低的2種灌木邊坡，其降落的雨滴部分可直接降落至坡面并對(duì)其表層土體產(chǎn)生較強(qiáng)的沖擊作用進(jìn)而形成坡面徑流。在模擬降雨初期階段可被坡面徑流搬運(yùn)的土顆粒相對(duì)較多，故在圖3所示的泥沙量與時(shí)間關(guān)系曲線中形成一上升趨勢(shì)，且經(jīng)過(guò)一段時(shí)間至峰值，之后因?yàn)橛晁畬?duì)坡面土體沖擊所產(chǎn)生的夯實(shí)作用和水分入滲使相對(duì)細(xì)小的土顆粒充填土壤空隙，使土壤出現(xiàn)結(jié)皮現(xiàn)象，坡面土壤抗侵蝕能力增大故產(chǎn)沙量下降[22]。此時(shí)坡面地表徑流趨于穩(wěn)定，坡體表面雨水沖刷能力亦趨于穩(wěn)定，開(kāi)始進(jìn)入邊坡表層細(xì)溝發(fā)育階段，最終泥沙量達(dá)到穩(wěn)定。試驗(yàn)區(qū)種植檸條錦雞兒和霸王等2種灌木植物邊坡由于其地上部分莖葉未完全覆蓋整個(gè)邊坡表層，邊坡表層其泥沙量變化規(guī)律和裸坡泥沙量變化規(guī)律基本相一致，而種植垂穗披堿草和細(xì)莖冰草等2種草本植物邊坡表面相對(duì)完全覆蓋邊坡，起到有效阻止雨滴直接沖擊坡面表層土壤作用，反映了植物莖葉部分起到較好地防治坡面土壤侵蝕作用，故在研究區(qū)所篩選的2種草本植物覆蓋邊坡程度較灌木植物相對(duì)完全，且在模擬降雨過(guò)程中形成的泥沙量亦相對(duì)較小，反映出其有效防治坡面土壤侵蝕作用較試驗(yàn)區(qū)所選2種灌木相對(duì)顯著。

2.2 模擬降雨徑流累積量和泥沙累積量特征分析

試驗(yàn)區(qū)未種植植物的裸坡及種植2種草本和2種灌木植物邊坡累積徑流量、累積泥沙量與降雨歷時(shí)關(guān)系曲線如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，試驗(yàn)區(qū)種植5種植物的不同類(lèi)型邊坡的累積徑流量和累積泥沙量的特征曲線表現(xiàn)出相對(duì)較一致的規(guī)律，即表現(xiàn)在裸坡的累積徑流量和累積泥沙量的增長(zhǎng)趨勢(shì)相對(duì)較顯著，灌木植物邊坡次之，草本邊坡相對(duì)最小。由圖4可知，裸坡的1 h最大累積徑流量為26.8 L，其值均大于種植植物邊坡的累積徑流量；檸條錦雞兒和霸王邊坡1 h最大累積徑流量分別為13.7 L和14.7 L，即灌木植物邊坡的累積徑流量由大至小依次為霸王邊坡、檸條錦雞兒邊坡；種植垂穗披堿草和細(xì)莖冰草邊坡1 h最大累積徑流量分別為0.65 L和1.10 L，即草本植物邊坡的累積徑流量表現(xiàn)在細(xì)莖冰草邊坡較垂穗披堿草邊坡累積徑流量大，而種植灌木植物的累積徑流量均大于種植草本植物邊坡的累積徑流量。由圖5表明裸坡的累積泥沙量為545.9 g，均大于種植植物邊坡的累積泥沙量；種植檸條錦雞兒和霸王邊坡最大累積泥沙量分別為189.6 g和227.3 g，即種植霸王邊坡的累積泥沙量大于種植檸條錦雞兒邊坡的累積泥沙量；種植垂穗披堿草和細(xì)莖冰草邊坡最大累積徑流量分別為18.0 g和23.6 g，2種草本植物邊坡的累積泥沙量由大至小依次為細(xì)莖冰草邊坡、垂穗披堿草邊坡，而種植灌木植物的累積泥沙量均大于種植草本植物邊坡。通過(guò)對(duì)比邊坡累積徑流量和累積泥沙量大小可知，種植植物的邊坡均能顯著提高邊坡表層的抗雨水沖蝕能力，植物覆蓋度愈大則其累積徑流量和累積泥沙量相對(duì)愈小。這主要是由于坡面種植植物能有效阻延坡面地表徑流形成和有效減少邊坡表層土壤流失，且植物淺表層根系能阻延邊坡細(xì)溝的形成，從而提高了邊坡表層土體整體的抗侵蝕能力[23]。試驗(yàn)區(qū)種植生長(zhǎng)期為150 d的細(xì)莖冰草、垂穗披堿草等2種草本植物具有生長(zhǎng)快和分蘗多的優(yōu)勢(shì)，因此能在相對(duì)較短時(shí)間增加邊坡表層覆蓋度，而生長(zhǎng)期為150 d的檸條錦雞兒、霸王等2種灌木植物生長(zhǎng)相對(duì)較慢且冠幅較小，亦能在一定程度上遮蔽邊坡土體，故試驗(yàn)區(qū)種植2種草本植物的邊坡，植物在防治其坡面水土流失等災(zāi)害現(xiàn)象表現(xiàn)出相對(duì)顯著的優(yōu)勢(shì)。

圖3 試驗(yàn)區(qū)裸坡和4種植物邊坡坡面泥沙量與降雨歷時(shí)關(guān)系曲線

圖4 試驗(yàn)區(qū)5種邊坡坡面累積徑流量與降雨歷時(shí)關(guān)系曲線

圖5 試驗(yàn)區(qū)坡5種邊坡坡面累積泥沙量與降雨歷時(shí)關(guān)系曲線

2.3模擬降雨前后裸坡與種植4種植物邊坡不同深度土體含水率分析

由表2可知，降雨前裸坡a層含水率為18.33%其值較種植植物邊坡含水率要小，其主要原因在于裸坡在自然環(huán)境下受到光照、溫度等外界因素影響增大其坡體表面蒸發(fā)量，但植物邊坡能遮擋光照而減少坡面蒸發(fā)量，且植物存在能使坡面表層徑流轉(zhuǎn)化為入滲，致使在降雨試驗(yàn)前邊坡表層含水率存在一定差異。降雨試驗(yàn)結(jié)束后開(kāi)挖相應(yīng)邊坡測(cè)得邊坡不同深度位置處的含水率，即裸坡a層土體含水率為27.30%，種植檸條錦雞兒和霸王邊坡a層土體含水率分別為27.18%和26.58%，種植垂穗披堿草和細(xì)

莖冰草邊坡a層土體含水率分別為30.17%和29.97%；降雨試驗(yàn)后裸坡b層土體含水率為18.05%，種植檸條錦雞兒、霸王邊坡b層土體含水率分別為18.75%，18.00%，種植垂穗披堿草、細(xì)莖冰草等2種植物邊坡b層土體含水率均為20.71%；降雨試驗(yàn)后c層土體在含水率變化相對(duì)不大。圖6反映的是試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡模擬降雨前后，坡體不同深度位置土體含水率變化關(guān)系，由圖可知，裸坡模擬降雨后a層土體含水率增幅為38.94%，種植檸條錦雞兒、霸王等2種灌木植物邊坡的a層土體含水率增幅分別為44.19%，42.24%，種植垂穗披堿草、細(xì)莖冰草邊坡等2種草本植物邊坡a層土體含水率增幅分別為48.11%，47.27%；裸坡模擬降雨前后b層土體含水率增幅11.76%，種植檸條錦雞兒和霸王等2種灌木植物邊坡b層土體含水率增幅分別為11.08%，10.63%，種植垂穗披堿草、細(xì)莖冰草等2種草本植物邊坡b層土體含水率增幅分別為14.74%，13.98%；5種邊坡地表以下c層土體含水率變化相對(duì)不大。由以上含水率幅度變化數(shù)據(jù)表明，試驗(yàn)區(qū)種植2種灌木邊坡a層土體含水率和裸坡a層土體含水率之間差別相對(duì)不大，但種植2種草本植物邊坡a層土體含水率則顯著大于裸坡和種植灌木植物邊坡，這是由于草本植物根系為須狀根系且多集中分布在坡面以下的a層土體，故坡體淺表層土質(zhì)相對(duì)松軟、孔隙相對(duì)較多，有利于坡體表層雨水下滲；灌木植物根系主要為主直根型，故在坡面以下a層其土體含水率和裸坡含水率變化相對(duì)不顯著；對(duì)于坡面下的b層土體，由于模擬降雨試驗(yàn)中雨強(qiáng)相對(duì)較小且降雨歷時(shí)有限，故降雨入滲相對(duì)a層少且土體含水率變化幅度相對(duì)不顯著；坡面以下的c層土體含水率相對(duì)變化不大，說(shuō)明模擬降雨過(guò)程中降雨未入滲至該深度位置。

表2 試驗(yàn)區(qū)5種邊坡坡體模擬降雨前后坡面不同深度位置土體含水率及增幅計(jì)算結(jié)果

注：1) 試驗(yàn)條件指的是模擬降雨前后分別開(kāi)挖邊坡取樣，每層中取4個(gè)含水率試樣并求其平均值測(cè)得平均含水率；2) 土體含水率增幅指的是模擬降雨前后土體含水率差的絕對(duì)值與降雨前的土體含水率之比，其計(jì)算公式為文中公式(3)；3) a層指的是坡面以下0—20 cm位置，b層指的是坡面以下20—40 cm位置，c層指的是坡面以下40—60 cm位置。

圖6 試驗(yàn)區(qū)裸坡與植物邊坡模擬降雨前后含水率變化關(guān)系

2.4模擬降雨邊坡入滲總量、莖葉截流量和徑流系數(shù)分析

植物莖葉截流量和雨水入滲量是反映植物保持水土、涵養(yǎng)水源和土壤抗侵蝕能力的重要參數(shù)，徑流系數(shù)是指在降水量中有多少降水形成了徑流，它綜合反映了流域內(nèi)自然地理要素對(duì)徑流的影響[24]。由入滲量計(jì)算公式(1)和表2所示的坡體不同深度含水率數(shù)據(jù)，計(jì)算得到試驗(yàn)區(qū)5種類(lèi)型邊坡的入滲量，計(jì)算結(jié)果如表3所示。由表3可知，細(xì)莖冰草和垂穗披堿草2種草本植物邊坡莖葉的截流量分別為12.8 mm和13.3 mm，均大于檸條錦雞兒和霸王2種灌木植物的莖葉截流量，即分別為10.3 mm和8.6 mm；裸坡的徑流系數(shù)為63.4%，檸條錦雞兒和霸王邊坡徑流系數(shù)分別為18.00%和20.33%，種植草本植物邊坡徑流系數(shù)相對(duì)較小，細(xì)莖冰草和垂穗披堿草邊坡徑流系數(shù)分別為6.57%和1.71%。由上述反映邊坡種植植物的莖葉截流量、徑流系數(shù)等相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，試驗(yàn)區(qū)2種草本植物邊坡坡面覆蓋度相對(duì)最大其徑流系數(shù)相對(duì)最小，種植垂穗披堿草邊坡表層形成的徑流其徑流系數(shù)小于種植細(xì)莖冰草邊坡的徑流系數(shù)；2種灌木植物邊坡坡面覆蓋度相對(duì)較2種草本植物覆蓋度小，故灌木植物其邊坡徑流系數(shù)相對(duì)較大，其中種植檸條錦雞兒邊坡徑流系數(shù)小于種植霸王邊坡的徑流系數(shù)；未種植植物的裸坡徑流系數(shù)相對(duì)最大，反映出其坡面土壤侵蝕作用相對(duì)顯著于種植植物的邊坡。綜上所述，試驗(yàn)區(qū)種植2種草本植物邊坡在其坡面莖葉覆蓋作用下，能有效減少坡面地表徑流增加雨水入滲，且淺層根系一定程度上具有增加土壤孔隙度、增加雨水入滲作用和減少雨水對(duì)坡面沖刷作用；試驗(yàn)區(qū)2種灌木植物坡面覆蓋度相對(duì)較小，但亦能在一定程度上抑制坡面地表徑流產(chǎn)生；裸坡則受到雨水的直接沖刷，坡面結(jié)皮現(xiàn)象明顯，故其徑流系數(shù)相對(duì)最大。

表3 試驗(yàn)區(qū)裸坡和4種植物邊坡坡面徑流系數(shù)計(jì)算結(jié)果

注：表中入滲量、莖葉截流量和徑流系數(shù)計(jì)算方法分別按文中所述公式(1)，(2)，(3)計(jì)算，計(jì)算過(guò)程中分別將a層土體、b層土體、c層等3層土體的實(shí)測(cè)含水率值代入公式計(jì)算。

3 結(jié) 論

(1) 本項(xiàng)研究在試驗(yàn)區(qū)所種植生長(zhǎng)期為150 d的4種植物，其地上莖葉部分對(duì)邊坡坡面的覆蓋度由大至小依次為垂穗披堿草、細(xì)莖冰草、檸條錦雞兒、霸王；裸坡和種植4種植物的邊坡其坡面穩(wěn)定徑流量和穩(wěn)定土壤侵蝕量由大至小依次為裸坡、霸王、檸條錦雞兒、細(xì)莖冰草、垂穗披堿草，故在相同降雨強(qiáng)度條件下坡面形成穩(wěn)定徑流量、穩(wěn)定土壤侵蝕量與植物覆蓋度之間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

(2) 通過(guò)分析裸坡和種植4種生長(zhǎng)期為150 d的植物邊坡的累積徑流量和累積泥沙量可知，相同降雨強(qiáng)度下裸坡受到雨水沖蝕作用相對(duì)最大，其值分別為26.8 L和545.9 g，植物邊坡累積徑流量和累積泥沙量表現(xiàn)出大小一致的規(guī)律，反映出試驗(yàn)區(qū)2種草本植物在防治坡面土壤侵蝕等方面具有相對(duì)顯著的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)對(duì)于生長(zhǎng)期大于150 d的灌木和草本植物之間的對(duì)比有待于進(jìn)一步研究。

(3) 模擬降雨試驗(yàn)前后對(duì)比邊坡不同深度含水率增幅可知，種植草本植物邊坡a層、b層含水率變化相對(duì)較大，種植灌木植物邊坡次之，裸坡相對(duì)最小，c層土體相對(duì)其上的a層和b層則其土體含水率變化相對(duì)較小，說(shuō)明在模擬降雨過(guò)程中有一部分降水入滲至b層深度，而降水未入滲至c層深度位置。反映了降雨過(guò)程中邊坡植物莖葉在發(fā)揮其降雨截流作用的同時(shí)，部分截流的雨水向邊坡土體深層入滲，且種植草本邊坡坡面以下a層、b層、c層等3層土體含水率變化相對(duì)顯著于種植灌木植物邊坡。

(4) 種植垂穗披堿草邊坡的徑流系數(shù)相對(duì)較小為1.71%，2種灌木中種植檸條錦雞兒坡面覆蓋度相對(duì)較大，其徑流系數(shù)為18.00%，顯著地小于裸坡產(chǎn)生的徑流系數(shù)為63.42%，以上數(shù)據(jù)表明了坡面種植植物能有效防治坡面表層徑流形成，從而有效地減少雨水對(duì)坡面沖刷作用，并促使部分地表徑流轉(zhuǎn)化為入滲，而有助于有效防治坡面表層土壤侵蝕和水土流失等災(zāi)害現(xiàn)象的發(fā)生。本項(xiàng)研究中所篩選出的4種植物，其坡面降雨截流、抑制地表徑流和減少雨水濺蝕等水文效應(yīng)貢獻(xiàn)，由大至小依次為垂穗披堿草、細(xì)莖冰草、檸條錦雞兒、霸王。

[1] 陳洪松,邵明安.黃土區(qū)坡地土壤水分運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)化機(jī)理研究進(jìn)展[J].水科學(xué)進(jìn)展,2003,14(4):513-520.

[2] 彭輝.黃土高原流域生態(tài)水文模擬和植被生態(tài)用水計(jì)算[D].北京：中國(guó)水利水電科學(xué)研究院,2013.

[3] 包含,侯立柱,劉江濤,等.室內(nèi)模擬降雨條件下土壤水分入滲及再分布試驗(yàn)[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(7):70-75.

[4] 周佩華,王占禮.黃土高原土壤侵蝕暴雨的研究[J].水土保持學(xué)報(bào),1992,6(3):1-5.

[5] 孫建中,趙景波.黃土高原第四紀(jì)[M].北京:科學(xué)出版社,1991.

[6] 黃土高原區(qū)域治理與評(píng)價(jià)[M].北京:科學(xué)出版社,1992.

[7] Fu B, Chen L, Ma K, et al. The relationships between land use and soil conditions in the hilly area of the Loess Plateau in northern Shaanxi, China[J]. Catena, 2000,39(1):69-78.

[8] 盧金發(fā),黃秀花.黃河中游土地利用變化對(duì)輸沙的影響[J].地理研究,2003,22(5):571-578.

[9] 朱冰冰,李占斌,李鵬,等.草本植物覆蓋對(duì)坡面降雨徑流侵蝕影響的試驗(yàn)研究[J].土壤學(xué)報(bào),2010,43(3):401-407.

[10] 周德培,張俊云.植被護(hù)坡工程技術(shù)[M].北京:人民交通出版社,2003.

[11] 駱漢,趙廷寧,彭賢鋒,等.公路邊坡綠化覆蓋物水土保持效果試驗(yàn)研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2013,29(5):63-70.

[12] 韋紅波,李銳,楊勤科.我國(guó)植被水土保持功能研究進(jìn)展[J].植物生態(tài)學(xué)報(bào),2002,26(4):489-496.

[13] Kusumandari A, Mitchell B. Soil erosion and sediment yield in forest and agroforestry areas in west Java, Indonesia[J]. Journal of Soil and Water Conservation, 1997,52(5):376-380.

[14] 羅偉祥,白立強(qiáng),宋西德,等.不同覆蓋度林地和草地的徑流量與沖刷量[J].水土保持學(xué)報(bào),1990,4(1):30-35.

[15] 余新曉,張曉明,武思宏,等.黃土區(qū)林草植物與降水對(duì)坡面徑流和侵蝕產(chǎn)沙的影響[J].山地學(xué)報(bào),2006,24(1):19-26.

[16] 張啟龍,楊剛.西寧盆地第三系地層對(duì)工程的影響[J].鐵道勘察,2010(1):31-33.

[17] 楊東,王慧,程軍奇,等.近50年青海省氣候變化特征及其與ENSO的關(guān)系[J].生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2013,22(4):547-553.

[18] 馬汝忠.近50年西寧地區(qū)雷暴日氣候變化特征分析[J].青海氣象,2009(2):15-18.

[19] 楊占鳳,喬娜,李臻,等.西寧盆地周邊灌木植物護(hù)坡水文效應(yīng)影響要素研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報(bào),2010,18(S):463-467.

[20] 盧龍彬,付強(qiáng),黃金柏.黃土高原北部水蝕風(fēng)蝕交錯(cuò)區(qū)產(chǎn)流條件及徑流系數(shù)[J].水土保持研究,2013,20(4):17-23.

[21] 張光輝,梁一民.植被蓋度對(duì)水土保持功效影響的研究綜述[J].水土保持研究,1996,3(2):104-110.

[22] 賈蓮蓮,李占斌,李鵬,等.黃土區(qū)野外模擬降雨條件下坡面徑流—產(chǎn)沙試驗(yàn)研究[J].水土保持研究,2010,17(1):1-5.

[23] 陳洪松,邵明安,張興昌,等.野外模擬降雨條件下坡面降雨入滲,產(chǎn)流試驗(yàn)研究[J].水土保持學(xué)報(bào),2005,19(2):5-8.

[24] 武晟,汪志榮,張建豐,等.不同下墊面徑流系數(shù)與雨強(qiáng)及歷時(shí)關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2006,11(5):55-59.

ExperimentalResearchonSlopeProtectionwithVegetationunderSituRainfallSimulationinColdandAridEnvironmentofLoessArea

LI Hua-tan1, ZHAO Yu-jiao1, LI Guo-rong1, HU Xia-song1,2, LU Hai-jing1, ZHU Hai-li1

(1.DepartmentofGeologicalEngineering,QinghaiUniversity,Xi′ning810016,China; 2.QinghaiInstituteofSaltLakes,ChineseAcademyofSciences,Xi′ning810008,China)

To study the hydrological effects of slope protection with vegetation, we carried out the method of situ rainfall simulation on the slopes covered by two shrubsCaraganakorshinskiiKom,Zygophyllumxanthonylon(Bunge) Maxim and on the slopes planted with 2 herbsElymusnutansGriseb,Agropyrontrachycaulum(Linn.) Gaertn, as well as on the control slopes without vegetation under the same test conditions. The results show that the stable runoff and sediment flux of the bare slope under the same test conditions are relatively bigger, the values are 450.0～475.0 ml/min and 8.28～8.36 g/min, respectively; the stable runoff and sediment fluxes of the slopes planted withZygophyllumxanthonylon,Caraganakorshinskiiare 307.0～355.5 ml/min and 3.12～4.07 g/min, respectively; the stable runoff and sediment fluxes of the slopes planted withAgropyrontrachycaulum,Elymusnutansare 24.0～41.3 ml/min and 1.52～2.40 g/min, respectively. The data show that stable runoff and sediment flux are negatively related with slope vegetation coverage. Further studies show that the stable runoff and sediment flux of the slopes planted with herbs are significantly less than the slopes planted with shrubs, and the stable runoff and sediment flux of the slopes planted with shrubs is 1.338～1.466 times, 2.054～2.654 times of the slopes planted with herbs. The the increment rates of soil moisture contents in the layer(0—20 cm) and the layer(20—40 cm) are 38.94% and 11.08%, respectively; at the same depth, the increment rates of soil moisture contents of the slopes covered withCaraganakorshinskii,Zygophyllumxanthonylonare 42.24%～44.19% and 10.63%～11.76%, respectively; and those of the slopes planted withElymusnutans,Agropyrontrachycaulumof at the same depth are 47.27%～48.11% and 13.98%～14.74%, respectively; the soil moisture content change in the layer (40—60 cm) is not significant. The data show that planting vegetation in the slopes can effectively prevent and reduce the slope runoff generation during the process of rainfall infiltration, and the effect of herb is more significant than that of the shrub in terms of reducing the runoff yield. The runoff coefficient of bare slope is 63.40%, for slopes planted withCaraganakorshinskiiandZygophyllumxanthonylonthe runoff coefficients are 18.00% and 20.33%, respectively and for slopes planted withAgropyrontrachycaulumandElymusnutansare 6.57% and 1.71%, respectively. The runoff coefficient of the slopes with herbs is relatively less than that of the slopes with shrubs, which indicates that the inhibitory role of herbs in resisting rain erosion and soil erosion and surface runoff is more significant than shrubs.

loess area; vegetation slope; rainfall simulation; runoff; soil erosion

2014-05-29

：2014-07-06

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41162010);教育部長(zhǎng)江學(xué)者和創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)發(fā)展計(jì)劃資助(IRT13074);青海省重點(diǎn)科研攻關(guān)資助項(xiàng)目(2003-N-134)

李華坦(1989—),男,河南太康人,碩士研究生,主要從事環(huán)境巖土工程與巖土體工程穩(wěn)定數(shù)值模擬等方面的研究工作。E-mail:huatan2008@126.com

胡夏嵩(1965—),男,河南開(kāi)封人,教授,博士,主要從事地質(zhì)工程與環(huán)境地質(zhì)等領(lǐng)域的教學(xué)和研究工作。E-mail:huxiasong@tsinghua.org.cn

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：A

：1005-3409(2014)06-0304-08